BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Antena Mikrostrip Patch Segiempat Antena mikrostrip adalah suatu konduktor metal yang menempel di atas bidang pentanahan (ground plane) yang diantaranya terdapat bahan substrat dielektrik (dielectric substrate). Elemen antena mikrostip terpancar secara efisien sebagai alat pada papan tercetak mikrostrip [6]. Bentuk umum antena mikrostrip terlihat pada Gambar 2.1. L h Patch W Dielektric substrate (ε r ) Ground Plane Gambar 2.1 Bentuk Umum Antena Mikrostrip [Balanis] Bagian antena mikrostrip terdiri dari: 1. Radiating patch (patch antena elemen peradiasi), bagian yang terletak paling atas dari antena dan terbuat dari bahan konduktor ini berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ke udara; patch dapat berbentuk lingkaran, persegi panjang, segitiga. 2. Dielectric substrate (substrat dielektrik), berfungsi sebagai media penyalur gelombang elektromagnetik dari catuan. Ketebalan substrat berpengaruh pada bandwidth dari antena. 3. Ground plane (bidang pentanahan), yaitu lapisan paling bawah yang berfungsi sebagai reflektor yang memantulkan sinyal yang tidak diinginkan [7].

2 Antena mikrostrip dalam perancangan ini menggunakan patch yang berbentuk segiempat. Patch segiempat lebih banyak digunakan karena kemudahan dalam analisis dan proses fabrikasi. Untuk mencari dimensi antena mikrostrip (W dan L), harus diketahui terlebih dahulu parameter bahan yang digunakan yaitu tebal dielektrik (h), konstanta dielektrik (εε rr ) dan rugi rugi bahan. Panjang antena mikrostrip harus disesuaikan, karena impedansi input dapat berubah. Pendekatan yang digunakan untuk mencari panjang dan lebar antena mikrostrip dapat menggunakan Persamaan (2.1) dan Persamaan (2.2) [5]. cc WW = 2ff 0 (εε rr +1) 2 (2.1) LL = LL eeeeee 2 LL (2.2) Sementara untuk mencari nilai L eff mengunakan Persamaan (2.3). cc LL eeeeee = (2.3) 2ff 0 εε rrrrrrrr Untuk mencari nilai εε rrrrrrrr digunakan Persamaan (2.4). εε rrrrrrrr = εε rr εε rr h WW (2.4) Akibat adanya fringing effect, penampang pada patch mikrostrip terlihat lebih besar secara elektrik daripada penampang fisiknya. Ukuran dari panjang penampang bertambah pada setiap sisi dengan suatu jarak yang dinyatakan dengan ΔL. ΔLL = 0,412h (εε rrrrrrrr + 0.3) WW h (εε rrrrrrrr ) WW 0.8 (2.5) h Gambar 2.2 menunjukkan perbedaan panjang antara L dan L eff.

3 ΔLL L ΔLL W (a) Tampak atas Patch h ε r (b) Tampak samping Gambar 2.2 Bentuk Fisik dan Panjang Efektif Patch Antena Mikrostrip [11] Keterangan : W L εε rr cc ff 0 L eff L ε reff : Lebar patch : Panjang patch : Konstanta dielektrik : Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang bebas ( 3x10 8 )m/s : Frekuensi kerja antena : Panjang patch efektif : Perbedaan panjang antara L dan L eff yang disebabkan karena adanya fringing efects (efek medan tepi) : Konstanta dielektrik relatif Antena mikrostrip pertama kali diperkenalkan pada tahun 1950, dan perkembangannya dilakukan secara serius pada tahun Melalui beberapa dekade penelitian, diketahui bahwa kemampuan beroperasi antena mikrostrip diatur oleh bentuknya. Antena mikrostrip merupakan salah satu antena yang

4 paling populer saat ini. Hal ini disebabkan karena antena mikrostrip sangat cocok digunakan untuk perangkat telekomunikasi yang sekarang ini memperhatikan bentuk dan ukuran[8]. Adapun beberapa keuntungan antena mikrostrip adalah sebagai berikut[9]: 1. Memiliki beban yang ringan dan bentuk yang kecil 2. Memiliki biaya fabrikasi yang rendah maka dapat diproduksi dalam jumlah yang banyak 3. Mendukung adanya linear serta polarisasi sirkular 4. Mampu beroperasi pada dua atau tiga frekuensi kerja 5. Memiliki mekanik kuat ketika dipasang pada permukaan kaku. Sedangkan beberapa kelemahan antena mikrostrip adalah sebagai berikut: 1. Memiliki lebar pita yang sempit 2. Memiliki efisiensi yang rendah 3. Memiliki perolehan gain yang rendah 4. Terdapat radiasi asing dari penyambungan 5. Memiliki kapasitas pengaturan daya rendah. 2.2 Parameter Antena Parameter antena merupakan suatu bagian yang penting dalam mendeskripsikan suatu antena. Dalam perancangan sebuah antena, ada beberapa parameter yang harus dipahami. Diantaranya adalah VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), return loss, axial ratio dan gain. Nilai-nilai parameter dapat dihitung dari S-Parameter (Scattering Parameter) S-Parameter S-Parameter (Scattering Parameter) merupakan suatu konsep magnitude dan phase gelombang berjalan dan juga dasar alat karakterisasi n-port networks[13]. Jaringan n-port linear dikarakterisasi oleh sejumlah parameter kontak yang ekivalen seperti transfer matrix, impedance matrix, admittance matrix dan scattering matrix. Gambar 2.3 menunjukkan tipe jaringan 2-port.

5 a 1 b 1 I 1 I port V 1 network S - + V 2 - a 2 b 2 Gambar 2.3 Two-Port Network [14] Berdasarkan Gambar 2.3 transfer matrix dari 2-port network juga dikenal sebagai maktriks ABCD, menghubungkan tegangan dan arus pada port 1 kepada port 2 sebaliknya impedance matrix menghubungkan kedua tegangan V 1, V 2 ke kedua arus I 1, I 2. Scattering matrix menghubungkan gelombang pergi b 1, b 2 ke gelombang dating a 1, a 2. bb 1 bb 2 = SS 11 SS 12 SS 21 SS 22 aa 1 aa 2, SS = SS 11 SS 12 SS 21 SS 22 (ssssssssssssssssssss mmmmmmmmmmmm) (2.6) Elemen matriks SS 11, SS 12, SS 12, SS 22 scattering parameter atau S-Parameter. Parameter SS 11, SS 22 memiliki arti koefisien refleksi dan SS 12, SS 22 memiliki arti koefisien transmisi (gain)[14]. Dan untuk port yang lebih dari 2 dapat dibuat ke persamaan matriks menjadi: bb 1 SS 11 SS 12 SS 1N aa 1 bb 2 SS = 21 SS 22 SS 2N aa 2 (2.7) bb NN SS N1 SS N2 SS NN aa N SS 11 = bb 1 aa 1 aa 2 = 0 = koefisien refleksi masukan Гin (2.8) SS 21 = bb 2 aa 1 aa 2 = 0 = koefisien refleksi datang (gain) (2.9) SS 12 = bb 1 aa 2 aa 1 = 0 = koefisien refleksi pantul (gain) (2.10) SS 22 = bb 2 aa 2 aa 1 = 0 = koefisien refleksi keluaran Гout (2.11)

6 2.2.2 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) VSWR adalah kemampuan suatu antena untuk bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR berhubungan dengan pengukuran koefisien refleksi dari antena tersebut (Γ). Nilai VSWR merupakan representasi dari peristiwa standing wave. Peristiwa standing wave terjadi jika terdapat dua gelombang yang merambat pada arah berlawanan dalam media yang sama dan frekuensi antara gelombang datang dengan gelombang yang dipantulkan besarnya sama. Nilai VSWR antara 1 sampai tak hingga, apabila VSWR bernilai 1 berarti tidak ada pantulan di dalam mikrostrip. Suatu antena dikatakan bekerja baik jika VSWR bernilai antara 1 sampai dengan 2[5]. Persamaan matematis mencari nilai koefisien tegangan refleksi (Γ) dapat dilihat pada Persamaan (2.12). Γ = VV 0 + VV 0 = ZZ LL ZZ 0 ZZ LL + ZZ 0 (2.12) Dimana ZZ LL adalah impedansi beban (load) dan ZZ 0 adalah impedansi saluran lossless. Koefisien refleksi tegangan (Γ) memiliki nilai kompleks, yang merepresentasikan besarnya magnitudo dan fasa dari refleksi. Untuk beberapa kasus yang sederhana, ketika bagian imajiner dari Γ adalah nol, maka : Γ = 1 : refleksi negatif maksimum, ketika saluran terhubung singkat, Γ = 0 : tidak ada refleksi, ketika saluran dalam keadaan matched sempurna, Γ = + 1 : refleksi positif maksimum, ketika saluran dalam rangkaian terbuka. (2.13) Adapun rumus untuk mencari nilai VSWR adalah terdapat pada Persamaan VVVVVVVV = VV mmmmmm VV mmmmmm = 1 + Γ 1 Γ (2.13) Kondisi terbaik adalah ketika VSWR bernilai 1 (VSWR=1) yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Tetapi pada praktiknya nilai tersebut sulit untuk didapat. Umumnya nilai VSWR dianggap masih baik adalah VSWR 2[10].

7 2.2.3 Return Loss (S 11 ) Return loss adalah besaran yang menunjukkan nilai loss (rugi) dari power input terhadap power refleksi dari suatu antena. Nilai return loss diperoleh dari hasil pengukuran pada alat vector network analyzer. Nilai return loss dinyatakan dalam satuan db berkisar antara - sampai 0 db. Suatu antena dikatakan bekerja baik jika S 11-9,54 db [2]. Hubungan return loss dengan daya yang dipantulkan (Pr) dan daya yang datang (Pi) dapat dilihat pada Persamaan (2.14). S11 (dddd) = 10 llllll 10 Γ (2.14) Polarisasi Polarisasi antena adalah polarisasi dari gelombang yang ditransmisikan oleh antena. Jika arah tidak ditentukan maka polarisasi merupakan polarisasi pada arah gain maksimum. Pada praktiknya, polarisasi dari energi yang teradiasi bervariasi dengan arah dari tengah antena, sehingga bagian lain dari pola radiasi mempunyai polarisasi yang berbeda. Polarisasi dari gelombang yang teradiasi didefinisikan sebagai suatu keadaan gelombang elektromagnet yang menggambarkan arah dan magnitudo vektor medan elektrik yang bervariasi menurut waktu. Selain itu, polarisasi juga dapat didefinisikan sebagai gelombang yang diradiasikan dan diterima oleh antena pada suatu arah tertentu. Polarisasi dapat diklasifikasikan sebagai linear (linier), circular (melingkar), atau elliptical (elips)[1]. a. Polarisasi Linier Polarisasi linier (Gambar 2.4) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik di ruang memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut selalu berorientasi pada garis lurus yang sama pada setiap waktu.

8 Gambar 2.4 Polarisasi Linier [1] Hal ini dapat terjadi jika vektor (elektrik maupun magnet) memenuhi : Hanya ada satu komponen Dua komponen yang saling tegak lurus secara linier yang berada pada perbedaan fasa waktu atau atau kelipatannya. b. Polarisasi Melingkar Polarisasi melingkar (Gambar 2.5) terjadi jika suatu gelombang yang berubah menurut waktu pada suatu titik memiliki vektor medan elektrik (magnet) pada titik tersebut berada pada jalur lingkaran sebagai fungsi waktu. Kondisi yang harus dipenuhi untuk mencapai jenis polarisasi ini adalah : medan harus mempunyai 2 komponen yang saling tegak lurus linier kedua komponen tersebut harus mempunyai magnitudo yang sama kedua komponen tersebut harus memiliki perbedaan fasa waktu pada kelipatan ganjil 90 0.

9 Gambar 2.5 Polarisasi Melingkar [1] c. Polarisasi Elips Polarisasi elips (Gambar 2.6) terjadi ketika gelombang yang berubah menurut waktu memiliki vektor medan (elektrik atau magnet) berada pada jalur kedudukan elips pada ruang. Gambar 2.6 Polarisasi Elips [1]

10 Kondisi yang harus dipenuhi untuk mendapatkan polarisasi ini adalah : Medan harus mempunyai dua komponen linier ortogonal Kedua komponen tersebut harus berada pada magnitudo yang sama atau berbeda Jika kedua komponen tersebut tidak berada pada magnitudo yang sama perbedaan fasa waktu antara kedua komponen tersebut harus tidak bernilai 0 0 atau kelipatan (karena akan menjadi linier). Jika kedua komponen berada pada magnitudo yang sama makan perbedaan fasa diantara kedua komponen tersebut harus tidak merupakan kelipatan ganjil dari 90 0 (karena akan menjadi lingkaran) Axial ratio Axial ratio merupakan bagian dari parameter antena yaitu polarisasi yang merupakan penggambaran arah medan listrik. Axial ratio adalah perbandingan magnitudo mayor dengan magnitudo minor, yang dirumuskan pada Persamaan (2.15). E(minor) AAAAAAAAAA RRRRRRRRRR = (2.15) E(mayor) Untuk mendapatkan polarisasi circular, axial ratio tidak boleh lebih dari 3 db. Nilai 3 db didapat dari adanya faktor rugi-rugi polarisasi dari adanya rugirugi daya yang terekstrak dikarenakan gelombang datang tidak sejajar dengan polarisasi antena. Axial ratio selalu dijadikan ukuran kualitas pada sebuah antena ketika polarisasi antena yang diinginkan adalah polarisasi melingkar. Axial ratio adalah rasio dari sumbu mayor dan sumbu minor pada polarisasi elips. Sebagai catatan bahwa polarisisasi melingkar dan linier adalah kasus khusus dari polarisasi elips. Arah propagasi dan arah rotasi polarisasi elips dapat dilihat pada Gambar 2.7 [5].

11 Gambar 2.7 Arah propagasi polarisasi elips Rumus axial ratio secara teoritis dapat dilihat pada Persamaan (2.16)[5]. AAAA (dddd) = 20 llllll major axis minor axis = 20 llllll ΟA ΟB (2.16) Daerah polarisasi melingkar terdiri dari dua komponen orthogonal medan E pada amplitude yang sama dan memiliki perbedaan fasa sebesar Karena komponennya memiliki magnitude yang sama, maka pada polarisasi melingkar axial ratio-nya adalah 1 (atau 0 db). Namun pada sebagian besar aplikasi antena mikrostrip axial ratio sebesar 3 db sudah dianggap cukup untuk menggambarkan polarisasi melingkar antena Gain Gain (directive gain) adalah perbandingan antara intensitas radiasi suatu antena pada suatu arah utama dengan intensitas radiasi dari antena isotropik yang menggunakan sumber daya masukan yang sama [1]. Satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel. Ada 2 jenis parameter gain, yaitu absolute gain dan relative gain. Absolute gain pada sebuah antena didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropik sama dengan daya yang

12 diterima oleh antena PP iiii dibagi dengan 4π. Persamaan matematisnya dapat dilihat pada Persamaan (2.17). IIIIIIIIIIIIIIIIIIII rrrrrrrrrrrrrr pppppppp aaaaaah tttttttttttttttt GGGGGGGG = ππ IIIIIIIIIIIIIIIIIIII rrrrrrrrrrrrrr yyyyyyyy dddddddddddddddd GGGGGGGG = 4ππ υυ(θθ, ) PP iiii (2.17) Sedangkan relative gain didefinisikan sebagai perbandingan intensitas radiasi sebuah antena pada arah tertentu dengan intensitas radiasi rata-rata pada semua arah. Untuk menentukan dimensi elemen peradiasi, maka terlebih dahulu harus ditentukan frekuensi kerja (f 0 ) yang digunakan untuk mencari panjang gelombang diruang bebas ( λ 0 )dirumuskan seperti Persamaan (2.18). λ 0 = cc ff 0 (2.18) Setelah nilai λλ 0 diperoleh, maka λ gg merupakan panjang gelombang pada bahan dielektrik yang besarnya dapat dihitung dengan Persamaan (2.19). λ gg = λ 0 εε rr (2.19) Gain antena mikrostrip patch segiempat dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (2.20). GG = 4ππ (LL 2 WW) (2.20) λ gg dimana : G λλgg = Gain antena = Panjang gelombang bahan dielektrik LL x WW = Luas patch segiempat

13 2.3 Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip Ada banyak konfigurasi yang dapat digunakan untuk mencatu antena mikrostrip. Ada 4 yang paling popular, diantaranya microstrip line, coaxial probe, aperture coupling dan proximity coupling [11]. Dalam hal ini perancangan dilakukan dengan teknik pencatu mikrostrip line. Bentuk dari antena ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. W L Gambar 2.8 Antena Mikrostrip Patch Segiempat dengan Slot Diagonal [11] Antena mikrostrip ini memiliki bentuk patch segiempat, memiliki panjang (L) dan lebar (W). Bentuknya juga sederhana dengan slot tipis menyilang pada tengah patch-nya, seperti yang terlihat pada Gambar 2.8. Pada bagian tengah patch dipotong secara diagonal sehingga membentuk sebuah slot diagonal. Pemilihan saluran pencatu dengan saluran mikrostrip adalah karena kemudahan dalam hal fabrikasi dan penentuan matching dari saluran mikrostrip dapat dengan mudah dilakukan. Untuk mematchingkan antena, hal yang perlu dilakukan cukup dengan mengubah-ubah panjang dari elemen pencatu atau dengan memberikan stub dan mengubah-ubah posisinya.

14 2.3.1 Perhitungan Lebar Saluran Mikrostrip Lebar saluran mikrostrip (W) tergantung dari impedansi karakteristik (Z o ) yang diinginkan. Adapun rumus untuk menghitung lebar saluran mikrostrip dapat dilihat pada Persamaan (2.21) WW = 2h ππ BB 1 llll(2bb 1) + εε rr 1 2εε rr llll(bb 1) + 0,39 0,61 εε rr (2.21) Dengan εε rr adalah konstanta dielektrik relative, dan nilai B dapat diketahui dari Persamaan (2.22) BB = 60ππ2 ZZ 0 εε rr (2.22) Karakteristik Saluran Mikrostrip (Microstrip Line) untuk W/h < 1 Konstanta dielektrik efektif (ε reff ) dapat dilihat pada Persamaan (2.23) εε rrrrrrrr = εε rr εε rr WW + 0, h h WW (2.23) Dan karakteristrik impedansi dapat dilihat pada Persamaan (2.24) ZZ 0 = 60 llll 8h εε rrrrrrrr WW + WW (2.24) 4h Karakteristik Saluran Mikrostrip (Microstrip Line) untuk W/h > 1 Konstanta dielektrik efektif ε reff dapat dilihat pada Persamaan (2.4) sebelumnya. Dan karakteristik impedansi dapat dilihat pada Persamaan (2.25). 120ππ/ εε rrrrrrrr ZZ 0 = WW + 1,393 + h 2/3ln (WW + 1,44) (2.25) h

15 2.4 Sistem GPS (Global Positioning System) Global Positioning System merupakan bidang aplikasi yang sangat luas digunakan pada saat ini. Di darat digunakan berupa paparan rute-rute jalan dan keberadaan posisi pemakai secara real time. Di laut berupa posisi kapal berada dan di udara berupa posisi kapal terbang yang sedang melintas dan juga berfungsi membantu penerbangan mode otomatis tanpa ditangani pilot secara langsung. sedangkan dari pemakaian militer, bidang ini justru sangat menonjol karena berkaitan dengan pengarahan senjata secara akurat dan juga mengarahkan secara otomatis senjata ke sasaran tanpa campur tangan operator dengan ketelitian yang luar biasa bahkan di bawah jarak meter. Sinyal yang ditransmisikan satelit-satelit GPS sekarang mengirim sinyalsinyal L1 dan L2 dengan frekuensi tengah MHz untuk L1 dan MHz untuk L2. Dalam menjalankan fungsinya, sistem GPS dibagi menjadi 3 segmen yaitu segmen luar angkasa (space segment), segmen darat (ground segment) dan segmen pengguna. Segmen ruang angkasa GPS dibangun dengan 24 satelit yang didistribusikan pada 6 bidang orbit yang membutuhkan 12 jam untuk mengorbit bumi, selama itu satelit telah melintasi jarak km, berarti sekali mengelilingi bumi tiap harinya atau tiap satelit akan melewati titik yang sama sekali tiap hari normalnya, 5 satelit selalu berada pada jarak pemakai setiap saat. Segmen darat terdiri dari stasiun yang menyebar ke seluruh dunia. Induknya adalah di Colorado (USA) yang mengendalikan segmen ruang angkasa. Data yang dikumpulkan oleh stasiun monitor digunakan untuk menghitung koreksi posisi bagi satelit. Proses ini menjamin sinkronisasi satelit-satelit dan keakuratan sinyal yang dikirim ke bumi [3]. 2.5 Applied Wave Research (AWR) Microwave 2004 Dalam tugas akhir ini, simulator yang digunakan adalah AWR Microwave AWR Microwave Office 2004 memungkinkan untuk merancang sirkuit terdiri dari skema dan elektromagnetik ( EM ) struktur dari database model listrik yang luas, kemudian menghasilkan tata letak representasi dari perancangan ini. Simulasi dapat digunakan menggunakan salah satu mesin simulasi AWR

16 Microwave Office 2004, simulator linier, keseimbangan harmonik simulator canggih, 3D-planar EM simulator yang menampilkan output dalam berbagai grafis bentuk berdasarkan analisis kebutuhan, dapat menyesuaikan atau mengoptimalkan perancangan dan perubahan secara otomatis dan langsung tercermin dalam tata letak. Adapun tampilan dari AWR Microwave Office 2004 adalah seperti terlihat pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Tampilan awal AWR Microwave 2004 Elektromagnetik (EM) simulator menggunakan persamaan Maxwell untuk menghitung respon struktur geometri dari fisiknya. Simulasi EM ideal karena dapat mensimulasikan struktur yang sangat sewenang-wenang dan masih memberikan hasil yang sangat akurat. Selain itu, EM simulator tidak terpengaruh terhadap banyak kendala model sirkuit karena menggunakan persamaan dasar untuk menghitung respon. Salah satu keterbatasan EM simulator adalah simulasi waktu berjalan secara eksponensial dengan ukuran masalah, sehingga penting untuk meminimalkan kompleksitas masalah untuk mencapai hasil yang tepat waktu. Mekanisme dari AWR Microwave Office 2004 ini, adalah mensimulasikan rancangan dan data yang masukkan kedalam simulator dengan memberikan hasil yang sesuai dengan parameter yang kita inginkan. Adapun langkah-langkah yang

17 dilakukan untuk mendapatkan hasil perancangan antena mikrostrip patch segitiga array menggunakan simulator AWR Microwave Office 2004, adalah: 1. Menyediakan layout baru untuk meracang antena, seperti terlihat pada Gambar Membuat struktur EM. Dalam perancangan struktur EM tersebut, hal yang perlu diperlu diperhatikan adalah melengkapi enclouser pada EM structure, untuk mendapatkan ukuran substrat, patch bounderies dari antena yang akan dirancang. Setelah setiap elemen dilengkapi, perancangan antena mikrostrip segitiga dapat dirancang pada lembar kerja EM sturktur yang tersedia. 3. Setelah perancangan selesai dilakukan, simulator AWR akan memperoleh hasil simulasi parameter yang ingin dihasilkan, yaitu frekuensi, VSWR, pola radiasi dari menu graph. Untuk menghasilkan parameter yang diinginkan simulator AWR melakukan proses simulasi sampai beberapa waktu, dimana dalam proses simulasi tersebut, tidak terjadi perubahan data apabila simulasi dilakukan berulang-ulang dengan bentuk, susunan dan data yang sama, namun apabila dilakukan perubahan bentuk, susunan, dan data hasil simulasi akan berubah sesuai dengan perubahan yang dilakukan[12].